Departing from a critique of the concept of Political Ecology of Alain Lipietz for its failure to integrate Political Ecology and the Theory of Regulation, we present a possible way of integrating the two approaches via the formulation of a sixth structural form: the social relation towards nature or ecological constraint. Finally, we illustrate the usefulness of this category by applying it to an analysis of the recent developments in the biotechnology industry. (author's abstract) / Series: SRE - Discussion Papers

Insects are responsible for the major part of the ecosystem services pollination and natural pest control. If insects decline, these ecosystem services can not longer be reliably delivered. Agricultural intensification and the subsequent loss and fragmentation of habitats has among others been identified to cause insect decline. Ecological intensification aims to promote alternative and sustainable management practices in agricultural farming, for example to decrease the use of external inputs such as pesticides. Agri-environment schemes make amends for farmers if they integrate ecologically beneficial measures into their farming regime and can therefore promote ecological intensification. There is a wide variety of agri-environment schemes, but the implementation of sown flower fields on crop fields is often included. Flower fields offer foraging resources as well as nesting sites for many different insect species and should be able to support insect populations as well as to increase ecosystem services to adjacent fields. However, the potential of flower fields to exhibit these effects is depending on many factors. Among others, the age and size of the flower field can influence if and how different insects profit from the measure. Additionally, the complexity of the surrounding landscape and therefore the existing biodiversity is influencing the potential of flower fields to increase ecosystem services locally. The goal of this study is to disentangle to which degree these factors influence the ecosystem services pollination and natural pest control and if these factors interact with each other. Furthermore, it will be examined if and how flower fields and ecosystem services influence crop yield. Additional factors examined in this study are distance decay and pesticide use. The abundance of beneficial insects can decrease strongly with increasing distance to suitable habitats. Pesticide use in turn could abrogate positive effects of flower fields on beneficial insects. To examine these different aspects and to be able to make recommendations for flower field implementation, field experiments were conducted on differently composed sown flower fields and adjacent oilseed rape fields. Flower fields differed in their age and continuity as well as in their size. Additionally, flower and oilseed rape fields were chosen in landscapes with different amounts of semi-natural habitat. Oilseed rape fields adjacent to calcareous grasslands and conventional crop fields served as controls. Pollinator observations and pollen beetle and parasitism surveys were conducted in the oilseed rape fields. Additionally, different yield parameters of the oilseed rape plants were recorded. Observations were conducted and samples taken in increasing distance to the flower fields to examine distance decay functions. Spray windows were established to inspect the influence of pesticides on ecosystem services and crop yields. Linear mixed models were used for statistical analysis. The results show, that newly established flower fields with high amounts of flower cover are very attractive for pollinators. If the flower fields reached a certain size (> 1.5ha), the pollinators tended to stay in these fields and did not distribute into the surroundings. High amounts of semi-natural habitat in the surrounding landscape increased the value of small flower fields as starting points for pollinators and their subsequent spillover into crop fields. Additionally, high amounts of semi-natural habitat decreased the decay of pollinators with increasing distance to the flower fields. Based on these results, it can be recommended to establish many small flower fields in landscapes with high amounts of semi-natural habitat and large flower fields in landscapes with low amounts of semi-natural habitat. However, it is mentionable that flower fields are no substitute for perennial semi-natural habitats. These still must be actively conserved to increase pollination to crop fields. Furthermore, the lowest amount of pollen beetle infestation was found on oilseed rape fields adjacent to continuous flower fields aged older than 6 years. Flower fields and calcareous grasslands in general increased pollen beetle parasitism in adjacent oilseed rape fields compared to conventional crop fields. The threshold for effective natural pest control could only be reached in the pesticide free areas in the oilseed rape fields adjacent to continuous flower fields and calcareous grasslands. Parasitism and superparasitism declined with increasing distance to the adjacent fields in pesticide treated areas of the oilseed rape fields. However, they remained on a similar level in spray windows without pesticides. Large flower fields increased parasitism and superparasitism more than small flower fields. Flower fields generally have the potential to increase pollen beetle parasitism rates, but pesticides can abrogate these positive effects of flower fields on natural pest control. Last but not least, effects of flower fields and ecosystem services on oilseed rape yield were examined. No positive effects of pollination on oilseed rape yield could be found. Old and continuous flower fields increased natural pest control in oilseed rape fields, which in turn increased seed set and total seed weight of oilseed rape plants. The pesticide treatment had negative effects on natural pest control, but positive effects on crop yield. Pollination and natural pest control decreased with increasing distance to the field edge, but fruit set slightly increased. The quality of the field in terms of soil and climatic conditions did not influence the yield parameters examined in this study. Yield formation in oilseed rape plants is a complex process with many factors involved, and it is difficult to disentangle indirect effects of flower fields on yield. However, perennial flower fields can promote ecological intensification by increasing crop yield via natural pest control. This study contributes to a better understanding of the effects of differently composed flower fields on pollination, natural pest control and oilseed rape yield. / Insekten sind für einen Großteil der Ökosystemdienstleistungen Bestäubung und natürliche Schädlingskontrolle zuständig. Schwinden die Insekten, so können diese Dienstleistungen nicht mehr zuverlässig gewährleistet werden. Als Ursachen für den Rückgang an Insekten wurde unter anderem die Intensivierung der Landwirtschaft und damit einhergehend der Verlust und die Fragmentierung von Lebensraum identifiziert. Ökologische Intensivierung hat das Ziel, alternative und nachhaltige Bewirtschaftungsmethoden in der Landwirtschaft zu fördern und beispielsweise den Einsatz von Spritzmitteln zu verringern. Agrarumweltmaßnahmen entschädigen Landwirte, wenn sie ökologisch wertvolle Maßnahmen in ihren Betrieb integrieren und können dadurch ökologische Intensivierung unterstützen. Die Bandbreite an Agrarumweltmaßnahmen ist groß, beinhaltet aber häufig das Anlegen von Blühflächen auf Ackerflächen. Blühflächen liefern Nahrungsressourcen und Lebensraum für eine Vielzahl von Insekten und sollten daher in der Lage sein Insektenpopulationen zu unterstützen und Ökosystemdienstleistungen auf angrenzenden Feldern zu verstärken. Jedoch ist das ökologische Potential von Blühflächen von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Unter anderem können das Alter und die Größe der Blühfläche entscheidend beeinflussen, inwiefern unterschiedliche Insektengruppen profitieren. Zusätzlich hat die Landschaftskomplexität der direkten Umgebung, und damit die potentiell vorhandene Biodiversität, großen Einfluss auf die Fähigkeit von Blühflächen Ökosystemdienstleistungen lokal zu erhöhen. In dieser Studie geht es darum zu entschlüsseln, wie sich diese verschiedenen Faktoren sich auf die beiden Ökosystemdienstleistungen Bestäubung und natürliche Schädlingskontrolle auswirken und ob sie sich gegenseitig beeinflussen. Zusätzlich soll untersucht werden, inwiefern Blühflächen und Ökosystemdienstleistungen Erträge beeinflussen können. Weitere in dieser Studie untersuchte Einflussfaktoren sind die Distanz zur Blühfläche und der Einsatz von Pestiziden. Die Abundanz von Nützlingen kann mit der Distanz zu geeigneten Habitaten stark abnehmen. Der Einsatz von Spritzmitteln wiederum könnte die positiven Einflüsse der Blühflächen auf Nützlinge aufheben. Um diese verschiedenen Aspekte zu untersuchen und letztendlich Empfehlung für die Etablierung von Blühflächen geben zu können, wurden Feldversuche auf Blühflächen mit unterschiedlicher Beschaffenheit und auf angrenzenden Rapsflächen durchgeführt. Die Blühflächen unterschieden sich hierbei in ihrem Alter und ihrer Kontinuität. Zusätzlich wurden Blühflächen mit unterschiedlicher Größe getestet. Außerdem wurden die Blühflächen und ihre benachbarten Rapsfelder so ausgewählt, dass sie sich in Landschaften mit unterschiedlichem Anteil an halbnatürlichen Habitaten befinden. Rapsflächen neben Kalkmagerrasen und Äckern mit konventionellen Feldfrüchten dienten als Kontrollflächen. Auf den Rapsflächen wurden Bestäuberbeobachtungen sowie Aufnahmen von Rapsglanzkäferbefall und deren Parasitierung durchgeführt. Zusätzlich wurden verschiedene Ertragsparameter von Raps aufgenommen. Die Untersuchungen fanden jeweils in unterschiedlichen Distanzen zur Blühfläche innerhalb des Rapsfeldes statt, um Distanz-Abnahme Funktionen zu untersuchen. Spritzfenster wurden etabliert, um den Einfluss von Pestiziden auf Ökosystemdienstleistungen und Erträge zu untersuchen. Für die statistische Auswertung wurden lineare gemischte Modelle verwendet. Die Ergebnisse haben zum einen gezeigt, dass frisch angelegte Blühflächen mit hoher Blütendeckung sehr attraktiv für Bestäuber sind. Jedoch blieben die Bestäuber in den Blühflächen, wenn diese eine gewisse Größe hatten (> 1.5ha) und verteilten sich nicht auf die umgebenden Flächen. Ein hoher Anteil an halbnatürlichen Habitaten in der umgebenden Landschaft erhöhte den Wert von kleinen Blühflächen als Ausgangspunkt für Bestäuber und ihren anschließenden Übergang auf Ackerflächen. Hohe Mengen an halbnatürlichen Habitaten verringerten außerdem den Rückgang der Bestäuber mit steigender Entfernung zur Blühfläche. Auf Grundlage dieser Ergenisse wäre es zu empfehlen, kleine Blühflächen in Landschaften mit viel halbnatürlichem Habitat und große Blühflächen in Landschaften mit wenig halbnatürlichem Habitat anzulegen. Außerdem ist anzumerken, dass Blühflächen keinen adequaten Ersatz für dauerhafte halbantürliche Habitate darstellen. Diese müssen weiterhin aktiv geschützt und erhalten werden, um Bestäubung auf Ackerflächen zu fördern. Des Weiteren wurde auf Rapsflächen neben kontinuierlichen Blühflächen mit einem Alter über 6 Jahre der niedrigste Befall mit Rapsglanzkäferlarven festgestellt. Blühflächen und Kalkmagerrasen erhöhten die Parasitierung von Rapsglanzkäfern in benachbarten Rapsflächen im Vergleich zu Rapsflächen die neben Ackerflächen liegen. Der Schwellenwert für eine effektive natürliche Schädlingskontrolle wurde nur in den pestizidfreien Bereichen in Rapsflächen neben kontinuierlichen Blühflächen und Kalkmagerasen erreicht. In mit Pestiziden behandelten Bereichen nahmen Parasitismus und Superparasitismus mit zunehmender Entfernung zum benachbarten Feld ab. In den Spritzfenstern ohne Pestizide blieben sie jedoch auf dem gleichen Niveau. Große Blühflächen erhöhten Parasitismus und Superparasitismus mehr als kleine. Insgesamt können Blühflächen die Parasitierungsraten von Rapsglanzkäfern auf Rapsflächen erhöhen, jedoch können Pestizide diese positiven Effekte aufheben. Zuletzt wurden die Effekte von Blühflächen und Ökosystemdienstleistungen auf den Rapsertrag untersucht. Hier stellte sich heraus, dass Bestäubung keine positiven Effekte auf den Rapsertrag hatte. Alte und kontinuierliche Blühflächen erhöhten die natürliche Schädlingskontrolle in den Rapsfeldern, welche wiederrum den Samenansatz und das absolute Samengewicht erhöhten. Die Behandlung mit Pestiziden hatte negative Asuwirkungen auf natürliche Schädlingskontrolle, aber positive Auswirkungen auf den Ertrag. Bestäubung und natürliche Schädlingskontrolle nahmen mit der zunehmenden Entfernung zum Feldrand ab, aber der Fruchtansatz nahm leicht zu. Die Feldqualität hatte keine Auswirkungen auf die im Modell untersuchten Rapsertrag Messwerte. Ertragsbildung bei Rapspflanzen ist ein komplexer Vorgang an dem viele Faktoren beteiligt sind. Mehrjährige Blühflächen können ökologische Intensivierung fördern indem sie den Ertrag durch natürliche Schädlingskontrolle erhöhen. Diese Studie leistet einen wertvollen Beitrag zum besseren Verständnis der Auswirkungen von unterschiedlich beschaffenen Blühflächen auf Bestäubung, natürliche Schädlingskontrolle und Rapsertrag.

Summary Chapters I & II: General Introduction & General Methods Agriculture is confronted with a rampant loss of biodiversity potentially eroding ecosystem service potentials and adding up to other stressors like climate change or the consequences of land-use change and intensive management. To counter this ‘biodiversity crisis’, agri-environment schemes (AES) have been introduced as part of ecological intensification efforts. These AES combine special management regimes with the establishment of tailored habitats to create refuges for biodiversity in agricultural landscapes and thus ensure biodiversity mediated ecosystem services such as pest control. However, little is known about how well different AES habitats fulfil this purpose and whether they benefit ecosystem services in adjacent crop fields. Here I investigated how effective different AES habitats are for restoring biodiversity in different agricultural landscapes (Chapter V) and whether they benefit natural pest control in adjacent oilseed rape (Chapter VI) and winter cereal fields (Chapter VII). I recorded biodiversity and pest control potentials using a variety of different methods (Chapters II, V, VI & VII). Moreover, I validated the methodology I used to assess predator assemblages and predation rates (Chapters III & IV). Chapter III: How to record ground dwelling predators? Testing methodology is critical as it ensures scientific standards and trustworthy results. Pitfall traps are widely used to record ground dwelling predators, but little is known about how different trap types affect catches. I compared different types of pitfall traps that had been used in previous studies in respect to resulting carabid beetle assemblages. While barrier traps collected more species and deliver more complete species inventories, conventional simple pitfall traps provide reliable results with comparatively little handling effort. Placing several simple pitfall traps in the field can compensate the difference while still saving handling effort.   Chapter IV: How to record predation rates? A plethora of methods has been proposed and used for recording predation rates, but these have rarely been validated before use. I assessed whether a novel approach to record predation, the use of sentinel prey cards with glued on aphids, delivers realistic results. I compared different sampling efforts and showed that obtained predation rates were similar and could be linked to predator (carabid beetle) densities and body-sizes (a proxy often used for food intake rates). Thus, the method delivers reliable and meaningful predation rates. Chapter V: Do AES habitats benefit multi-taxa biodiversity? The main goal of AES is the conservation of biodiversity in agricultural landscapes. I investigated how effectively AES habitats with different temporal continuity fulfil this goal in differently structured landscapes. The different AES habitats investigated had variable effects on local biodiversity. Temporal continuity of AES habitats was the most important predictor with older, more temporally continuous habitats harbouring higher overall biodiversity and different species assemblages in most taxonomic groups than younger AES habitats. Results however varied among taxonomic groups and natural enemies were equally supported by younger habitats. Semi-natural habitats in the surrounding landscape and AES habitat size were of minor importance for local biodiversity and had limited effects. This stresses that newly established AES habitats alone cannot restore farmland biodiversity. Both AES habitats as well as more continuous semi-natural habitats synergistically increase overall biodiversity in agricultural landscapes. Chapter VI: The effects of AES habitats on predators in adjacent oilseed rape fields Apart from biodiversity conservation, ensuring ecosystem service delivery in agricultural landscapes is a crucial goal of AES. I therefore investigated the effects of adjacent AES habitats on ground dwelling predator assemblages in oilseed rape fields. I found clear distance decay effects from the field edges into the field centres on both richness and densities of ground dwelling predators. Direct effects of adjacent AES habitats on assemblages in oilseed rape fields however were limited and only visible in functional traits of carabid beetle assemblages. Adjacent AES habitats doubled the proportion of predatory carabid beetles indicating a beneficial role for pest control. My results show that pest control potentials are largest close to the field edges and beneficial effects are comparably short ranged. Chapter VII: The effects of AES habitats on pest control in adjacent cereal fields Whether distance functions and potential effects of AES habitats are universal across crops is unknown. Therefore, I assessed distance functions of predators, pests, predation rates and yields after crop rotation in winter cereals using the same study design as in the previous year. Resulting distance functions were not uniform and differed from those found in oilseed rape in the previous year, indicating that the interactions between certain adjacent habitats vary with habitat and crop types. Distance functions of cereal-leaf beetles (important cereal pests) and parasitoid wasps were moreover modulated by semi-natural habitat proportion in the surrounding landscapes. Field edges buffered assemblage changes in carabid beetle assemblages over crop rotation confirming their important function as refuges for natural enemies. My results emphasize the beneficial role of field edges for pest control potentials. These findings back the calls for smaller field sizes and more diverse, more heterogeneously structured agricultural landscapes. Chapter VIII: General Discussion Countering biodiversity loss and ensuring ecosystem service provision in agricultural landscapes is intricate and requires strategic planning and restructuring of these landscapes. I showed that agricultural landscapes could benefit maximally from (i) a mixture of AES habitats and semi-natural habitats to support high levels of overall biodiversity and from (ii) smaller continuously managed agricultural areas (i.e. smaller field sizes or the insertion of AES elements within large fields) to maximize natural pest control potentials in crop fields. I propose a mosaic of younger AES habitats and semi-natural habitats to support ecosystem service providers and increase edge density for ecosystem service spillover into adjacent crops. The optimal extent and density of this network as well as the location in which AES and semi-natural habitats interact most beneficially with adjacent crops need further investigation. My results provide a further step towards more sustainable agricultural landscapes that simultaneously allow biodiversity to persist and maintain agricultural production under the framework of ecological intensification. / Zusammenfassung Kapitel I & II: Allgemeine Einleitung & Allgemeine Methodik Die Landwirtschaft sieht sich einem gravierenden Verlust an biologischer Vielfalt gegenüber, der möglicherweise Ökosystemdienstleistungen erodiert und zusätzlich zu anderen Stressoren wirkt, wie etwa dem globalen Klimawandel oder den Folgen veränderter Landnutzung und intensiven Managements. Um dieser ‚Biodiversitätskrise‘ entgegen zu wirken wurden im Rahmen der ökologischen Intensivierung Agrarumweltmaßnahmen (AES) eingeführt. Diese AES verbinden spezielle Managementregime mit der Schaffung designter Habitate, die als Refugien für Biodiversität in Agrarlandschaften deinen und dadurch Ökosystemdienstleistungen, die auf Biodiversität beruhen, wie natürliche Schädlingskontrolle, sicherstellen sollen. Wie gut verschiedene AES jedoch diese Ziele erfüllen und ob Ökosystemdienstleistungen in angrenzenden Feldern tatsächlich davon profitieren, ist weitgehend unbekannt. In meiner Doktorarbeit untersuche ich wie effektiv verschiedene AES Habitate darin sind, Biodiversität in unterschiedlichen Agrarlandschaften wieder her zu stellen (Kapitel V) und ob diese natürliche Schädlingskontrolle in angrenzenden Rapsfeldern (Kapitel VI) und Wintergetreidefeldern (Kapitel VII) von diesen Habitaten profitiert. Biodiversität und Potentiale natürlicher Schädlingskontrolle wurden mit diversen unterschiedlichen Methoden erfasst (Kapitel II, V, VI & VII). Zusätzlich habe ich Methoden, die ich zur Erfassung von Räubergesellschaften und Prädationsraten verwendet habe, validiert (Kapitel III & IV). Kapitel III: Wie erfasst man bodenaktive Räuber? Das Testen von Methoden ist essenziell, da es wissenschaftliche Standards und vertrauenswürdige Ergebnisse sicherstellt. Bodenfallen werden häufig verwendet, um bodenaktive Prädatoren zu erfassen, aber wie verschiedene Bodenfallentypen das Fangergebnis beeinflussen ist weitgehend unbekannt. Ich habe verschiedene, in früheren Studien verwendete, Bodenfallentypen hinsichtlich der resultierenden Laufkäfergesellschaften verglichen. Während Fallen mit Leitschienen die meisten Arten fingen und dadurch die vollständigsten Artenlisten ergaben, lieferten einfache Bodenfallen verlässliche Ergebnisse bei vergleichsweise geringem Aufwand. Das Platzieren einiger einfacher Bodenfallen kann bei immer noch geringerem Aufwand die Unterschiede kompensieren. Kapitel IV: Wie erfasst man Prädationsraten? Eine Fülle verschiedener Methoden zur Erfassung von Prädationsraten wurde vorgeschlagen und verwendet, jedoch wurden diese meist nicht validiert, bevor sie verwendet wurden. Ich habe getestet ob eine neuartige Methode zur Erfassung von Prädationsraten, die Verwendung von Prädationskarten mit aufgeklebten Blattläusen, realistische Resultate liefert. Dazu wurden verschiedene Karten mit unterschiedlichem Aufwand getestet. Die resultierenden Prädationsraten waren vergleichbar und durch Räuber- (Laufkäfer-) Dichten sowie deren mittlere Körpergröße (ein oft genutzter Indikator für Nahrungsaufnahmeraten) erklärt werden konnten. Daher liefert diese Methode verlässliche und sinnvolle Prädationsraten. Kapitel V: Profitiert multi-Taxa Biodiversität von AES? Das Hauptziel von AES ist der Erhalt der Biodiversität in Agrarlandschaften. Ich habe untersucht, wie effektiv AES Habitate mit verschiedener zeitlicher Kontinuität dieses Ziel in unterschiedlich strukturierten Landschaften erfüllen. Die verschiedenen AES Habitate hatten variierende Effekte auf die lokale Biodiversität. Zeitliche Kontinuität der AES Habitate war der wichtigste Einfluss da ältere, kontinuierlichere Habitate eine höhere Gesamtbiodiversität und in den meisten taxonomischen Gruppen andere Artengemeinschaften beherbergten als jüngere AES Habitate. Die Ergebnisse variierten jedoch zwischen den taxonomischen Gruppen und natürliche Feinde von Agrarschädlingen wurden auch durch jüngere AES Habitate gleichwertig unterstützt. Halbnatürliche Habitate in der Landschaft sowie die Größe des AES Habitats waren von geringerer Bedeutung für die lokale Biodiversität und hatten lediglich begrenzte Effekte. Diese Ergebnisse betonen, dass neu angelegte AES Habitate allein die Biodiversität in der Agrarlandschaft nicht wiederherstellen können. AES Habitate wirken synergistisch zusammen mit kontinuierlicheren halbnatürlichen Habitaten und sichern mit diesen ein Maximum an biologischer Vielfalt in Agrarlandschaften Kapitel VI: Die Effekte von AES Habitaten auf Räuber in angrenzenden Rapsfeldern Neben dem Erhalt der Artenvielfalt ist das Sicherstellen von Ökosystemdienstleistungen in Agrarlandschaften ein essenzielles Ziel von AES. Ich untersuchte daher die Effekte angrenzender AES Habitate auf bodenaktive Prädatoren in Rapsfeldern. Für die Artenvielfalt als auch für die Dichten von bodenaktiven Prädatoren zeigten sich klare Distanzfunktionen von den Feldrändern abnehmend zur Feldmitte. Direkte Effekte angrenzender AES auf die Räubergesellschaften in Rapsfeldern waren hingegen limitiert und nur auf der Ebene der funktionellen Merkmale von Laufkäfergesellschaften festzustellen. Angrenzende AES Habitate verdoppelten den Anteil räuberischer Laufkäfer in den Gesellschaften, was auf einen positiven Effekt auf natürliche Schädlingsbekämpfung schließen lässt. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass Potentiale natürlicher Schädlingsbekämpfung nahe den Feldrändern am größten sind und nicht relativ weit ins Feld hinein reichen. Kapitel VII: Die Effekte von AES Habitaten auf natürliche Schädlingskontrolle in angrenzenden Getreidefeldern Es ist allerdings noch gänzlich unbekannt, ob Distanzfunktionen und potenzielle Effekte angrenzender AES Habitate universell auf andere Feldfrüchte übertragbar sind. Ich habe daher im gleichen Studiendesign wie im vorangegangenen Jahr Distanzfunktionen von natürlichen Feinden, Schädlingen, Prädationsraten und Erträgen nach dem Fruchtwechsel in Wintergetreide erfasst. Die gefundenen Distanzfunktionen waren verschieden und unterschieden sich von den im Vorjahr im Raps erfassten Distanzfunktionen, was darauf schließen lässt, dass die Interaktion zwischen verschiedenen Feldfrüchten und Nachbarhabitaten variieren. Distanzfunktionen von Getreidehähnchen (wichtigen Getreideschädlingen) und parasitoiden Wespen waren zusätzlich durch den Anteil halbnatürlicher Habitate in der Landschaft moduliert. Feldränder pufferten die Veränderungen in Laufkäfergesellschaften über den Fruchtwechsel ab, was deren wichtige Funktion als Refugialhabitate für natürliche Schädlingsbekämpfer verdeutlicht. Meine Ergebnisse betonen die Rolle von Feldrändern für die natürliche Schädlingsbekämpfung. Die Ergebnisse stärken die Forderung nach kleineren Feldgrößen und diverseren, heterogener strukturierten Agrarlandschaften. Kapitel VIII: Allgemeine Diskussion Der Kampf gegen den Verlust der biologischen Vielfalt und das Sicherstellen von Ökosystemdienstleistungen in Agrarlandschaften ist komplex und erfordert ein strategisches Planen und eine Transformation dieser Landschaften. Ich habe gezeigt, dass Agrarlandschaften von (i) einer Mischung aus AES Habitaten und halbnatürlichen Habitaten, die zusammen ein große Artenvielfalt unterstützen, und von (ii) einer geringeren kontinuierlich bewirtschafteten Agrarfläche (d.h. kleineren Feldgrößen oder dem Einfügen von AES Habitaten in bestehende große Felder) um natürliche Schädlingskontrolle zu maximieren, profitieren würden. Ich schlage vor ein Mosaik aus jüngeren AES Habitaten und halbnatürlichen Habitaten zu schaffen, um Ökosystemdienstleister zu unterstützen und das Netzwerk an Feldrändern zu vergrößern wodurch Ökosystemdienstleistungen in angrenzenden Feldkulturen maximiert werden könnten. Um die optimale Ausdehnung und Dichte dieses Netzwerks wie auch die optimale Platzierung, in der AES und halbnatürliche Habitate die größtmöglichen Effekte auf angrenzende Feldkulturen haben, zu klären, bedarf es weiterer Forschung. Meine Ergebnisse liefern einen weiteren Schritt hin zu nachhaltigeren Agrarlandschaften die im Rahmen der ökologischen Intensivierung gleichzeitig sowohl ein Fortbestehen der Biodiversität als auch landwirtschaftliche Produktion erlauben.

The relationship between a farmer and their cultivated crops in agriculture is multifaceted, with pathogens affecting both the farmer and crop, and weeds that take advantage of resources provided by farmers. For my doctoral thesis, I aimed to gain a comprehensive understanding of the ecology and symbiosis of fungus farming ambrosia beetles. Through my research, I discovered that the microbial composition of fungus gardens, particularly the mutualists, is significantly influenced by the presence of both adults and larvae. The recognition of both beneficial and harmful symbionts is crucial for the success of ambrosia beetles, who respond differently depending on their life stage and the microbial species they encounter, which can contribute to the division of labour among family groups. The presence of antagonists and pathogens in the fungus garden depends on habitat and substrate quality, and beetle response to their introduction results in behavioural and developmental changes. Individual and social immunity measures, as well as changes in bacterial and fungal communities, were detected as a result of pathogen introduction. Additionally, the ability of ambrosia beetles to establish two nutritional fungal species depends on several factors. These insects must strike a balance between their essential functions and adapt to the constantly changing ecological and social conditions, which demonstrates their adaptive flexibility. However, interpreting data from laboratory studies should be approached with caution, as the natural environment allows for more flexibility and the potential for other beneficial symbionts to become more prominent if required. To aid in my research, I designed primers that use the ‘fungal large subunit’ (LSU) as genetic marker to identify and differentiate mutualistic and antagonistic fungi in X. saxesenii. The primers were able to distinguish closely related species of the Ophiostomataceae and other fungal symbionts. This allowed me to associate the abundance of key fungal taxa with factors such as the presence of beetles, the nest's age and condition, and the various developmental stages present. My primers are a valuable tool for understanding fungal communities, including their composition and the identification of previously unknown functional symbionts. However, some aspects should be approached with caution due to the exclusion of non-amplified taxa in the relative fungal community compositions. / Die Beziehung zwischen einem Landwirt und der von ihm angebauten Nahrung in der Landwirtschaft ist vielschichtig: Pathogene, die sowohl den Landwirt als auch die Pflanzen befallen, und Unkräuter, die sich die von Landwirten bereitgestellten Ressourcen zunutzen machen. In meiner Doktorarbeit wollte ich ein umfassendes Verständnis der Ökologie und der Symbiose von pilzzüchtenden Ambrosiakäfern erlangen. Im Rahmen meiner Forschung fand ich heraus, dass die mikrobielle Zusammensetzung von Pilzgärten, insbesondere der Mutualisten, durch die Anwesenheit sowohl der erwachsenen Tiere als auch der Larven erheblich beeinflusst wird. Die Erkennung sowohl nützlicher als auch schädlicher Symbionten ist entscheidend für den Erfolg der Ambrosiakäfer, die je nach Lebensstadium und den angetroffenen Mikrobenarten unterschiedlich reagieren, was zur Arbeitsteilung zwischen Familiengruppen beitragen kann. Das Vorhandensein von Antagonisten und Krankheitserregern im Pilzgarten hängt von der Qualität des Lebensraums und des Substrats ab, und die Reaktion der Käfer auf ihre Einschleppung führt zu Veränderungen im Verhalten und in der Entwicklung. Individuelle und soziale Immunitätsmaßnahmen sowie Veränderungen der Bakterien- und Pilzgemeinschaften wurden als Folge der Einführung von Krankheitserregern festgestellt. Darüber hinaus hängt die Fähigkeit von Ambrosiakäfern, zwei Nährpilzarten zu etablieren, von mehreren Faktoren ab. Diese Insekten müssen ein Gleichgewicht zwischen ihren lebenswichtigen Funktionen herstellen und sich an die ständig ändernden ökologischen und sozialen Bedingungen anpassen, was ihre Anpassungsfähigkeit zeigt. Bei der Interpretation von Daten aus Laborstudien ist jedoch Vorsicht geboten, da die natürliche Umgebung mehr Flexibilität zulässt und die Möglichkeit bietet, dass andere nützliche Symbionten bei Bedarf stärker in Erscheinung treten. Um meine Forschung zu unterstützen, habe ich Primer entwickelt, die die ‘fungal large subunit‘ (LSU) als genetischen Marker verwenden, um mutualistische und antagonistische Pilze in X. saxesenii zu identifizieren und zu unterscheiden. Die Primer waren in der Lage, eng verwandte Arten der Ophiostomataceae und andere Pilzsymbionten zu unterscheiden. Auf diese Weise konnte ich die Häufigkeit der wichtigsten Pilztaxa mit Faktoren wie dem Vorhandensein von Käfern, dem Alter und Zustand des Nests und den verschiedenen Entwicklungsstadien in Verbindung bringen. Meine Primer sind ein wertvolles Instrument für das Verständnis von Pilzgemeinschaften, einschließlich ihrer Zusammensetzung und der Identifizierung von bisher unbekannten funktionellen Symbionten. Einige Aspekte sind jedoch mit Vorsicht zu genießen, da nicht amplifizierte Taxa in den relativen Zusammensetzungen der Pilzgemeinschaften nicht berücksichtigt werden.

Plants exposed to herbivory may defend themselves by attracting the “enemies of their enemies”, a phenomenon called induced indirect defense (IID). In this process, the de novo production and emission of volatile organic compounds (VOC) by the affected plant is activated via a jasmonic acid (JA) dependent signaling cascade. VOC can be very specific for the inducing herbivore as well as for the emitting plant. Carnivores as predatory mites and parasitoid wasps use these substances as prey- or host-finding cues. If the herbivore is parasitized successfully, its development is slowed and thus the damage of the plant is decreased. Additional abiotic stress may modulate the plant’s ability to produce and/or emit herbivore induced VOC. Ultraviolet (UV) radiation can have multiple physiological effects on plants, amongst others the activation of the expression of genes that are also activated during anti-herbivore defense. To investigate UV effects, foils with different UV transmittance were used to manipulate ambient solar radiation. One foil was permeable for the whole solar spectrum including UV radiation whereas the other excluded radiation below a wavelength of 400 nm. Soybean exposed to UV increased concentrations of isorhamnetin- and quercetin-based flavonoids as effective photo-protective compounds in the leaves and showed a reduced growth compared to plants exposed to ambient radiation lacking UV. The altered chemical composition of the leaves had no effect on food choice and performance of herbivorous Spodoptera frugiperda larvae. Photo-protection by flavonoids seems to be efficient to prevent further UV effects on IID as plants of both treatments emitted the same blend of induced VOC and hence females of the parasitoid Cotesia marginiventris did not prefer plants from on of the treatments in the olfactometer. Nitrogen is one important macronutrient for all trophic levels and thus deficiency of this nutrient was expected to affect IID of soybean profoundly. To manipulate N availability for soybean plants hydroponic culture was used. One treatment was cultured in a standard hydroponic solution whereas in the N deficiency treatment in the solution all salts containing N were replaced with N-free salts. In N deficient plants root biomass was increased to allow the plant to forage more efficiently for the nutrient. Despite this morphological adaptation, photosynthetic efficiency as well as leaf N and soluble protein content were reduced significantly in N deficient soybean. The N deficiency was passed on to the third trophic level as herbivores fed with the affected leaves had a reduced body N content on her part and showed a decreased growth but no feeding preference for the superior food. Parasitoids reared in such N deficient herbivores had significant lower pupal weight compared to parasitoids reared in hosts fed with fully fertilized soybean. N deficient plants emitted a quantitatively altered herbivore induced blend. The two terpenes β-Bergamotene and (E,E)-α-Farnesene were emitted in higher amounts whereas (Z)-3-Hexenyl-α-methylbutyrate was emitted in significantly lower amount. Despite this quantitatively modified VOC blend the parasitoids host-searching behavior was not affected. Heavy metals (HM) are proposed to affect various biochemical pathways in plants including defense pathways by production of reactive oxygen species (ROS) in the tissue. The ROS on its part may affect production and release of endogenous JA, an important messenger in defense signaling. In this study maize plants were grown hydroponically and exposed to different increased concentrations of copper and cadmium. Maize seems to be able to exclude the excess HM from the leaves because the HM were found mainly in the roots and only to a minor degree in the shoots of the plants. Despite this exclusion the HM significantly affected uptake of other metal ions into the plant. The excess of the HM in combination with the attenuated uptake of other ions led to a reduced growth of roots and shoots as well as to reduced photosynthetic efficiency. Thus the nutritional value of the plants for the herbivore was lowered either by direct toxic effects of the HM or indirectly by altering plant chemical composition. S. frugiperda larvae fed with leaves exposed to high HM concentrations showed a significantly reduced growth but they did prefer neither control nor HM treated plants in a food-choice assay. Cu had a transient priming effect on JA as pre-exposure to a high excess of Cu led to higher amounts of herbivore induced JA compared to control plants exposed only to standard concentration of Cu. As anticipated the increased JA was followed by an increase in herbivore induced VOC in high-Cu treated plants caused by a increase of the green leaf volatiles (E)-3-Hexenal, (Z)-3-Hexenol and (Z)-3-Hexenylacetat and the terpenes Linalool, (E)-α-Bergamotene, (E)-β-Farnesene, and β-Sesquiphellandrene. Despite these profound changes in herbivore induced VOC the parasitoids host searching behavior was not affected. As described, the abiotic stresses UV, N deficiency and excess HM affected the morphology and physiology of soybean and maize, the performance of the herbivore S. frugiperda and even the performance of the parasitoid C. marginiventris. However the host searching behavior of the parasitoid was not affected even if the herbivore induced VOC blend was altered. Thus parasitoids seem to be a very reliable defender for plants and IID a very robust way of herbivore defense. / Pflanzen, die Herbivorendruck ausgesetzt sind, können sich verteidigen, indem sie die „Feinde ihrer Feinde“ anlocken. Dieses Phänomen wird induzierte indirekte Verteidigung (englisch: induced indirect defense IID) genannt. Dabei wird die de novo Produktion und Abgabe von flüchtigen organischen Verbindungen (englisch: volatile organic compounds VOC) durch die betroffenen Pflanze über eine jasmonsäure (JA) -abhängige Signalkaskade aktiviert. Die VOC können sehr spezifisch sowohl für den auslösenden Herbivor als auch für die abgebende Pflanze sein. Karnivoren wie Raubmilben oder parasitoide Wespen nutzen diese Substanzen zur Beute- oder Wirtsfindung. Wurde der Herbivor erfolgreich parasitiert wird seine Entwicklung verlangsamt und damit der Schaden an der Pflanze verringert. Ist die Pflanze außer Herbivorie noch zusätzlichem abiotischen Stress ausgesetzt, kann dieser die Fähigkeit der Pflanze zur Produktion und/oder Abgabe der herbivor-induzierten Duftstoffe beeinflussen. Ultraviolette Strahlung (UV) kann verschiedenste physiologische Auswirkungen auf Pflanzen haben, darunter auch die Aktivierung der Expression von Genen, welche auch bei der Herbivorenabwehr aktiviert werden. Um solche möglichen UV-Effekte zu untersuchen, wurden Folien mit unterschiedlicher Durchlässigkeit für UV genutzt, um die natürliche Sonnenstrahlung zu manipulieren. Eine der Folien war durchlässig für das gesamt Spektrum des Sonnelichtes inklusive der UV-Strahlung, während die andere Folie Strahlung unterhalb einer Wellenlänge von 400 nm ausschloss. Sojapflanzen, die UV ausgesetzt waren, erhöhten die Konzentration von isorhamnetin- und quercetin-basierten Flavonoiden mit besonders effektiven Lichtschutzeigenschaften in ihren Blätter und zeigten außerdem ein reduziertes Längewachstum im Vergleich zu Pflanzen, die natürlicher Strahlung ohne UV-Anteil ausgesetzt waren. Die veränderte Blattchemie hatte jedoch keinen Einfluss auf Futterwahl und Entwicklung von herbivoren Spodoptera frugiperda Larven. Die Lichtschutzeigenschaften der Flavonoide verhinderten auch weitergehende UV-Effekte auf die IID, da Pflanzen beider Behandlungen das gleiche Gemisch induzierter VOC abgaben und daher Weibchen des Parasitoiden Cotesia marginiventris im Olfaktometer keine Bevorzugung für Pflanzen einer der beiden Behandlungen zeigten. Stickstoff (N) ist ein wichtiges Makronährelement für alle trophischen Ebenen, daher wurde vermutet, dass ein Mangel dieses Elementes die induzierte indirekte Verteidigung von Soja tiefgreifend beeinflussen könnte. Um die Verfügbarkeit von N für Sojapflanzen gezielt zu manipulieren wurde ein Hydrokultursystem verwendet. Eine der Behandlungen wurde in einer Standard-Hydrokulturlösung kultiviert während bei der Stickstoffmangelbehandlung die stickstoffhaltigen Salze in der Lösung durch stickstofffreie Salze ersetzt wurden. In N-Mangel-Pflanzen war die Wurzelbiomasse vergrößert, um eine effizientere Aufnahme des Nährstoffes zu ermöglichen. Trotz dieser morphologischen Anpassung waren Photosyntheseleistung, Blattstickstoffgehalt und Menge an löslichem Protein in N-mangel Soja signifikant verringert. Dieser Stickstoffmangel wurde bis zur dritten trophischen Ebene weitergegeben, da mit Stickstoffmangel-Blättern gefütterte Herbivore ihrerseits einen reduzierten Körperstickstoffgehalt und verringertes Wachstum zeigten, in Wahlexperimenten jedoch nicht höherwertiges Futter bevorzugten. Parasitoiden, welche in solchen N-magel Wirten gezüchtet wurden, erreichten ein geringeres Puppengwicht als Parasitoide, welche in Wirten gezüchtet wurden, die mit normal gedüngtem Soja gefüttert wurden. Pflanzen unter Sticktoffmangel emittierten einen qualitativ veränderten herbivor-induzierten Duft. Die beiden Terpene β-Bergamoten und (E,E)-α-Farnesen wurde in höheren Mengen abgegeben, während (Z)-3-Hexenyl-α-Methylbutyrat in geringerer Menge emittiert wurde. Trotz dieser quantitativen Änderung des Duftes war das Wirtsfindeverhalten der Parasitoiden nicht verändert. Schwermetalle können verschiedenste biochemische Signal-u. Stoffwechselwege in Pflanzen beeinflussen, durch das Entstehen reaktiver Sauerstoffspezies (englisch: reactive oxygen species ROS) in Geweben auch Signalwege der pflanzlichen Verteidigung. Die ROS ihrerseits können die Produktion und Freisetzung endogener JA, ein wichtiger Signalstoff in der pflanzlichen Verteidigung, verändern. In dieser Studie wurden hydroponisch kultivierte Maispflanzen verschiedenen erhöhten Kupfer-u. Cadmiumkonzentrationen ausgesetzt. Mais scheint erhöhte Schwermetallmengen vom Spross ausschließen zu können, da die Metalle vor allem in den Wurzeln und nur in geringem Anteil im Spross wiedergefunden wurden. Trotz dieses Ausschlussmechanismuses beeinflussten die Schwermetalle die Aufnahme anderer Metallionen in die Pflanzen. Der Schwermetallüberschuss zusammen mit der eingeschränkten Aufnahme andere Ionen führte zu einem verringerten Wachstum von Wurzeln und Spross sowie verringerter Photosyntheseleistung. Der Futterwert der Pflanzen für die Herbivoren war daher entweder durch direkte toxische Eigenschaften der aufgenommenen Schwermetalle oder indirekt durch Änderung der chemischen Zusammensetzung der Pflanzen verringert. Wurden S. frugiperda Larven mit Maisblättern gefüttert, die hohen Schwermetallkonzentrationen ausgesetzt waren, zeigten sie ein signifikant verringertes Wachstum, bevorzugten in Futterwahltests jedoch weder Blätter von Kontrollpflanzen noch von schwermetallbehandelten Pflanzen. Da Pflanzen, die hohen Kupferkonzentrationen ausgesetzt waren höhere Mengen von herbivor-induzierter JA aufwiesen als Kontrollpflanzen, hatte Kupfer offenbar einen transienten Primingeffekt auf JA. Wie erwartet folgte auf die erhöhte JA-Freisetzung eine erhöhte Emission herbivor-induzierter VOC in mit hohen Kupferkonzentrationen behandelten Pflanzen. Diese Steigerung der Emission war durch eine erhöhte Emission der Grünblattdüfte (E)-3-Hexenal, (Z)-3-Hexenol and (Z)-3-Hexenylacetat und der Terpene Linalool, (E)-α-Bergamoten, (E)-β-Farnesen, und β-Sesquiphellandren bedingt. Das Wirtsfindeverhalten der Parasitoiden blieb jedoch trotz der starken Veränderungen des herbivor-induzierten Pflanzenduftes unbeeinflusst. Wie beschrieben haben die abiotischen Stressfaktoren UV-Strahlung, Stickstoffmangel und Schwermetallbelastung weitreichende Auswirkungen auf die Morphologie und Physiologie von Soja und Maispflanzen, die Larvalentwicklung des Herbivoren S. frugiperda und ebenso auf die Larvalentwicklung des Parasitoiden C. marginiventris. Das Wirtsfindeverhalten des Parasitoiden blieb jedoch trotz Änderungen in den herbivor-induzierten Duftstoffgemischen unbeeinflusst. Daher scheinen Parasitoide eine zuverlässige Verteidigung für Pflanzen und die induzierte indirekte Verteidigung eine gegen abiotischen Stress sehr robuste Art der Herbivorenabwehr darzustellen.

In this dissertation, I examine the relationship between specialisation and stability of plant-pollinator networks, with a focus on two issues: Diversity maintenance in animal-pollinated plant communities and robustness of plant-pollinator systems against disturbances such as those caused by anthropogenic climate change. Chapter 1 of this thesis provides a general introduction to the concepts of ecological stability and specialisation with a focus on plant-pollinator systems, and a brief outline of the following chapters. Chapters 2-5 each consist of a research article addressing a specific question. While chapters 2 and 3 deal with different aspects of diversity maintenance in animal-pollinated plant communities, chapters 4 and 5 are concerned with the consequences of climate change in the form of temporary disturbances caused by extreme climatic events (chapter 4) and shifts in phenology of plants and pollinators (chapter 5). From a methodological perspective, the first three articles (chapter 2-4) can be grouped together as they all employ mathematical models of plant-pollinator systems, whereas chapter 5 describes an empirical study of plant-pollinator interactions along an altitudinal gradient in the Alps. The final chapter (6) provides a review of current knowledge on each of the two main themes of this thesis and places the findings of the four research articles in the context of related studies. / In dieser Dissertation untersuche ich den Zusammenhang zwischen Spezialisierung und Stabilität von Pflanzen-Bestäuber-Netzwerken. Dabei konzentriere ich mich speziell auf zwei Themengebiete: Die Erhaltung der Diversität in Pflanzengemeinschaften, die durch Tiere bestäubt werden, und die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen-Bestäuber-Systemen gegenüber Störungen, wie sie durch den anthropogenen Klimawandel hervorgerufen werden. Kapitel 1 dieser Arbeit gibt eine allgemeine Einführung zu den Konzepten der ökologischen Stabilität und der Spezialisierung mit einem Schwerpunkt auf Pflanzen-Bestäuber-Systemen, und einen kurzen Überblick über die folgenden Kapitel der Arbeit. Kapitel 2-5 bestehen jeweils aus einem wissenschaftlichen Artikel, der eine spezifische Fragestellung untersucht. Während Kapitel 2 und 3 sich mit verschiedenen Aspekten der Erhaltung der Diversität in tierbestäubten Pflanzengemeinschaften befassen, beschäftigen sich Kapitel 4 und 5 mit den Auswirkungen des Klimawandels in Form von temporären Störungen verursacht durch klimatische Extremereignisse (Kapitel 4) und zeitlichen Verschiebungen der Phänologie von Pflanzen und Bestäubern (Kapitel 5). Aus methodologischer Sicht bilden die ersten drei Artikel eine Einheit, da sie alle mathematische Modelle der Populationsdynamik von Pflanzen und Bestäubern verwenden, während Kapitel 5 eine empirische Studie über Pflanzen-Bestäuber-Interaktionen entlang eines Höhengradienten in den Alpen beschreibt. Das letzte Kapitel (6) gibt einen Überblick über den Wissensstand in den beiden zentralen Themengebieten dieser Arbeit und bettet die Ergebnisse der vier Artikel in den Kontext verwandter wissenschaftlicher Arbeiten ein.

Brassicaceae and a few related plant families are characterized by possession of the glucosinolate-myrosinase system. Glucosinolates are amino-acid derived allelochemicals which are hydrolysed upon tissue damage by myrosinase enzymes to produce various degradation products which can be toxic for generalist insects. The larvae of the crucifer-specialist Athalia rosae, the turnip sawfly, sequester glucosinolates into their haemolymph. The role of the glucosinolate-myrosinase system for the interaction of the turnip sawfly with Brassicaceae was examined in this study from two different perspectives: variation within individual plants and between plant species. The plant responses to the feeding by herbivores and the short-term effects this induction had on insect behaviour were investigated in white mustard. Furthermore, plants can use multiple defences. Hence correlations of glucosinolates and myrosinase activities with other defences and nutritional quality and their long-term effects on the development of the insects were investigated in seven different plant species. / Die Brassicaceen und einige nah verwandte Pflanzenfamilien zeichnen sich durch den Besitz des Glucosinolat-Myrosinase Systems aus. Glucosinolate sind von Aminosäuren abgeleitete Allelochemikalien, die nach Gewebezerstörung von Myrosinaseenzymen hydrolysiert werden. Die entstehenden Abbauprodukte wirken auf generalistische Insekten toxisch. Larven der auf Brassicaceen spezialisierten Rübsenblattwespe, Athalia rosae, sequestrieren Glucosinolate in ihre Hämolymphe. In der vorliegenden Studie wird die Rolle des Glucosinolat-Myrosinase Systems für die Interaktion von Brassicaceen mit der Rübsenblattwespe aus zwei unterschiedlichen Perspektiven untersucht: Variationen innerhalb einzelner Pflanzen und zwischen verschiedenen Pflanzenarten. Die pflanzliche Antwort innnerhalb einzelner Individuen auf Herbivorenfraß und deren kurzzeitige Auswirkungen auf das Insektenverhalten wurden am Weißen Senf untersucht. Des Weiteren nutzen Pflanzen multiple Abwehrmethoden. Daher wurden Korrelationen des Glucosinolat-Myrosinase Systems mit anderen Abwehrmethoden und mit dem Nährstoffgehalt der Pflanzen sowie deren langfristige Effekte auf die Entwicklung der Insekten an sieben verschiedenen Pflanzenarten untersucht.

Legionella pneumophila, der Erreger der Legionärskrankheit, ist ein Umweltkeim mit Verbreitung in aquatischen Habitaten. Die Keime sind in der Lage, sich intrazellulär in eukaryontischen Zellen, wie Makrophagen, Monozyten und Protozoen zu vermehren. Die erfolgreiche Besiedlung ökologischer Nischen, aber auch das Virulenzpotential des Keimes können dabei von Umweltfaktoren abhängen. Die Erforschung ökologischer Zusammenhänge kann daher für das Verständnis der bakteriellen Virulenz von großer Bedeutung sein. Ausgangspunkt dieser Arbeit ist die in der späten stationären Phase des Bakterienwachstums von L. pneumophila zu beobachtende intensive Pigmentierung des Kulturmediums. Für diesen Phänotyp ist das Legiolysin (Lly) verantwortlich. Es ist eines der wenigen bekannten Genprodukte von L. pneumophila, die einen Einfluß auf das Überleben des Keimes in der Umwelt haben. Legiolysin kann daher als Fitnessfaktor bezeichnet werden. Um die ökologischen Zusammenhänge der Pigmentgenerierung näher zu untersuchen, wurde das lly-positive Plasmid pEWL 1 subkloniert und sequenziert. Neben lly konnten in diesem Genabschnitt durch Sequenzvergleiche der abgeleiteten Aminosäuresequenzen sechs weitere Leseraster detektiert werden. Die drei unmittelbar benachbarten Gene von lly kodieren dabei für Proteine mit Funktionalität in Bezug zur lly-Determinante, während die drei upstream von lly liegenden Leseraster Homologien zu Proteinen aufweisen, die an Transportprozessen beteiligt sind. Die Länge des RNA-Transkripts von lly konnte im Northern-Blot mit ungefähr 1,8 kb bestimmt werden und läßt damit auf die gemeinsame Transkription des lly-Gens mit dem unmittelbar upstream liegenden Leseraster schließen. Durch Sequenzanalysen konnte aufgezeigt werden, daß das für diesen Phänotyp verantwortliche Legiolysin-Gen für eine p-Hydroxyphenylpyruvat-Dioxygenase (HPPD) kodiert. Dieses Enzym katalysiert die Umsetzung von p-Hydroxyphenylpyruvat zu Homogentisat (HGA). In Zusammenarbeit mit Prof. P. Proksch (Pharmazeutische Biologie, Würzburg) konnte im Vergleich zu lly-negativen L. pneumophila- und rekombinanten E. coli-Stämmen in den Kulturüberständen von lly-positiven Stämmen auf Basis einer Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC) HGA nachgewiesen werden. Es konnte somit gezeigt werden, daß das Legiolysin-Gen für ein Protein mit HPPD- Aktivität kodiert, und in die Degradation der aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin involviert ist. Des weiteren wurden chromosomale Integrationsmutationen der aus L. pneumophila stammenden Gene lly und mip ("macrophage infectivity potentiator") in E. coli K-12 Stämmen erstellt. Diese wurden nachfolgend in ökologisch ausgerichteten Langzeitstudien eingesetzt. Die chromosomale Integration von lly erfolgte als ortsspezifische Rekombination in die l att - site von E. coli WM 2269. Die Integration von mip erfolgte in die fim-Region des E. coli K-12-Stammes AAEC 160. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit befaßt sich mit ökologischen Studien zur Persistenz von L. pneumophila in der Umwelt. Durch die Bestrahlung mit Licht über einen Verlauf von sieben Tagen konnte gezeigt werden, daß die Exprimierung von lly zu einer Persistenz unter Lichtstreß führt. Dieser Lichtschutz könnte in der Umwelt, aber auch bei der Sanierung von Wasserleitungssystemen mittels UV-Licht Relevanz aufweisen. Die Assoziation von L. pneumophila JR32 und JR32-1 (lly-negativ) mit dem Cyanobakterium Fischerella wurde in Mikrokosmen über einen Verlauf von sieben Tagen beobachtet. Dabei konnte gezeigt werden, daß Legionella in Assoziation mit Fischerella bzw. in dessen Überstand zu persistieren vermag, während dies den Bakterien in frischem Fischerella-Medium nicht möglich war. Wie die Coinkubation der Fischerellen mit L. pneumophila JR32-1 zeigte, spielt die Expression von lly dabei keine Rolle. Ein Wachstum der Bakterienkulturen konnte weder im Fischerella-Überstand, noch in Fischerella-Medium beobachtet werden. Durch Rasterelektronenmikroskopie konnte der adhäsive Charakter der Assoziation von L. pneumophila zu Fischerella dokumentiert werden. Durch Persistenzstudien von L. pneumophila und E. coli in Boden wurde die Überlebensfähigkeit der Mikroorganismen in suboptimaler Umgebung getestet. Für Legionella ist eine rapide Abnahme der Zellzahl schon nach kurzer Zeit zu detektieren. Nach sechs Tagen konnten keine Zellen mehr kultiviert werden. Die Defizienz der Pathogenitäts- und Umweltfaktoren Mip, Fla (Flagellin) und Lly hatte dabei keinen Einfluß auf die Persistenz der Bakterien im Boden. Zudem sind die zuvor generierten rekombinanten E. coli-Klone AAEC 160-1 und WM 2269-1 mit genomischer mip- bzw. lly-Integration eingesetzt worden. Innerhalb von vier Wochen konnte für diese Stämme eine kontinuierliche Reduktion der Zellzahlen beobachtet werden. Somit erwies sich keiner der Organismen als erfolgreicher Besiedler der Bodenprobe. Die Studien zum Verlust der Kultivierbarkeit von L. pneumophila und E. coli erfolgten in autoklaviertem Leitungswasser bzw. PBS und zwei unterschiedlich behandelten Varianten von Mainwasser. Neben sterilfiltriertem Mainwasser fand die Inokulierung der Organismen auch in einem Ansatz mit autoklaviertem Mainwasser statt. Es konnte gezeigt werden, daß L. pneumophila in Leitungswasser und Mainwasser außerordentlich gut zu persistieren vermochte. Zudem konnte dokumentiert werden, daß auch E. coli DH5a in ein lebensfähiges, aber nicht mehr kultivierbares Ruhestadium (viable but nonculturable, VBNC) eintreten kann. Parallel zur Ermittlung der CFU-Werte wurden während des Verlaufs der Experimente die Lebendzellzahlen durch Fluoreszenzfärbungen bestimmt. Der Übergang von L. pneumophila in das VBNC-Ruhestadium wurde zudem durch in situ - Hybridisierungen mit fluoreszenzmarkierten 16 S rRNA-Oligonukleotidsonden dokumentiert. Im Naturhaushalt spielt dieser Übergang zu VBNC-Stadien bei Umweltbakterien zur Überwindung ungünstiger Phasen eine große Rolle. Schließlich erfolgten Experimente zur Reaktivierung der VBNC-Ruhestadien. Diese Reaktivierung ist abhängig von speziesspezifischen Triggern und kann bei L. pneumophila durch Coinkubation mit Acanthamoeba castellanii erfolgen. / Legionella pneumophila, the causative agent of the Legionnaires' disease, is an environmental strain with a widespread distribution in aquatic habitats. Legionella are able to replicate intracellularly in eucaryotic cells, such as macrophages, monocytes and protozoa. The sucsessful colonization of ecological niches, but also the virulence potential of Legionella depends on environmental factors. Therefore the investigation of ecological context is expected to provide an understanding of bacterial virulence. The starting-point of this dissertation is the intensive pigmentation of the culture medium of L. pneumophila, witch could be observed in the late stationary phase of bacterial growth. The Legiolysin proteine (Lly) is responsible for this phenotype. This gene product of L. pneumophila is known to show an influence on the survival in the environment, which is why Legiolysin has been termed a fitness factor. In order to investigate the ecological connections of the pigmentation, the lly-positive plasmid pEWL 1 was subcloned and sequenced. In this genetic section six further open reading frames (ORF) could be detected besides lly by sequence comparison of the derived amino acid sequences. The three directly neighbouring genes of lly code for proteins which have functionality with regard to the lly-determinant. The three reading frames upstream of lly show homologies to proteins, which are involved in transport processes. The RNA transcript of lly could be determined by Northern blot with a lenght of about 1,8 kb. Therefore transcription of the lly gene together with the upstream ORF is suggested. It could be shown by sequence analysis, that the Legiolysine gene responsible for this phenotype, is coding for a p-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD). This enzyme catalyzes the reaction of p-hydroxyphenylpyruvate to homogentisate (HGA). In collaboration with Prof. P. Proksch (Pharmazeutische Biologie, Würzburg) the existence of HGA was demonstrated in culture supernatants of lly-positive strains on the basis of high performance liquid chromatography (HPLC). It could be shown, that the legiolysin gene is coding for a protein with a HPPD activity, and, therefore, is involved in the degradation of the aromatic amino acids Phenylalanine and Tyrosine. Additionally chromosomal integration mutants of the L. pneumophila genes lly and mip ("macrophage infectivity potentiator") were created in E. coli K-12 strains. These mutants were subsequently used in ecological long-time studies. The chromosomal integration of lly took place as a locus-specific recombination in the l att - site of E. coli WM 2269. The integration of mip happened in the fim-region of the E. coli strain AAEC 160. The second part of the present dissertation is concerned with ecological studies to the persistence of L. pneumophila in the environment. Accordingly, it could be shown, that the expression of lly leds to persistence to light-stress. This light protection could be relevant in the environment, but also during the sanitation of water pipes by UV-light. The association of L. pneumophila JR32 and JR32-1 (lly-negative) with the cyanobacterium Fischerella was observed in microcosms during a course of seven days. Legionella are able to persist in association with Fischerella, and in the Fischerella culture supernatant, respectively. Survival of the bacteria was not possible in fresh Fischerella medium. However, the expression of lly shows no difference, as could be shown by the coincubation of L. pneumophila with Fischerella. The growth of bacterial cultures cold neither be detected in supernatants of Fischerella, nor in fresh Fischerella medium. The adhesive character of the association of L. pneumophila with Fischerella could be documented by SEM (scanning electron microscopy). The survival of Legionella in suboptimal environment was tested by studying the persistence of L. pneumophila and E. coli in soil. A rapid decline of CFU (colony forming unit) for Legionella could be detected within a short time, as cells could not be cultivated any more after six days. The deficiency of the pathogenetic and enviromental factors Mip, Fla (Flagellin) and Lly had no influence on the persistence of the bacteria in the soil. Additionally the recombinant E. coli clones AAEC 160-1 and WM 2269-1 with the genomic mip and lly integrations, were used in this exreriments. During a course of four weeks, a continuous reduction of CFU could be observed for these strains. Therefore none of these organisms proved successful in colonization of soil samples. The studies regarding the loss of culturability of L. pneumophila and E. coli were made in autoclaved potable water and PBS (phosphate buffered saline), respectively, and in two variants of Main river water, one of which was autoclavedwhile the other one was sterilized by filtration. It could be shown, that L. pneumophila are able to persist well in potable water and in the river water. Additionally, not only L. pneumophila, but also E. coli DH5a entered a viable but nonculturable state (VBNC). During the course of these experiments, the numbers of live cells were determined by fluorescence dyes Moreover, the transition of L. pneumophila into the VBNC state was documented by in situ hybridization technique with fluorescence marked 16 S rRNA oligonucleotide probes (FISH). This transition into the VBNC state plays an important role to overcome unfavourable phases in natural environments. Finally experiments were made to reactivate the VBNC states. This resuscitation is dependent on species specific triggers and could be achieved by coincubation of L. pneumophila with the amoeba Acanthamoeba castellanii.

Summary Timber harvesting is currently the most common commercial utilisation activity in tropical forests. Assessing the effects of logging on different aspects of biodiversity and general ecosystem properties is hence of prime importance if the few remaining areas of intact tropical forest are to be protected effectively and efficiently. Tropical amphibian communities are an appropriate model system for studies on the impacts of human-induced environmental changes on the dynamics of complex biological systems. This thesis elaborates on patterns of diversity changes in tropical forest amphibian communities facing habitat alterations associated with selective logging in two globally important eco-regions (Côte d’Ivoire, Upper Guinea, West Africa and Guyana, the Guiana Shield, northern South America). The thesis is organised along two main themes. After a general introduction, a section on general methodology and an introduction to the model systems studied, the first theme moves from general patterns to underlying processes. A second theme running through both chapters carries from undisturbed systems to disturbed systems. A final section integrates findings and addresses implications for conservation management of anthropogenically altered tropical forests. Several case studies at the species- population and community level are being presented and data on the direct and indirect impacts of anthropogenic habitat alteration on respective organizational levels are provided. A key statement that is stressed on throughout the studies is the fact that common measures of diversity, such as species richness and species-diversity only inadequately reflect processes of diversity change following anthropogenic disturbance. They also fail to describe actual impacts on the dynamics of complex biological systems. It is argued that commonly used measures produce an incoherent and insufficient picture of diversity patterns and the underlying processes that shape these patterns. Thus, an understanding of higher levels of diversity, such as β-diversity and functional diversity (and hence compositional patterns) appears to be the key to effectively mitigating the impacts of human-induced disturbance on amphibian communities. It is shown that the predictability of amphibian community composition depends on the respective level of anthropogenic disturbance imposed on a particular habitat. Hence, human activities that lead to changes in the structure of a forest, such as logging, not only alter simple system descriptors, such as the number of species in a given community, but rather alter the dynamics of the entire system. In this context, functional diversity is shown to be an important aspect underlying the actual mechanism that leads to the observed change of predictability patterns. Functional differences between species, rather than number of species per se appear to be the decisive factor in sustaining desirable ecosystem states and thus in maintaining important ecosystem services. Because biological diversity appears to play a substantial role in ecosystem resilience required to safeguard essential ecosystem functions in the face of environmental change, the thesis calls for a critical revision of common diversity assessments approaches. The studies advocate the reconsideration of the uncritical use of widespread measures and descriptors of biodiversity on grounds of inconsistent patterns found throughout numerous studies, including those presented herein. / Zusammenfassung Forst- und Holzwirtschaft gehört derzeit zu einer der wichtigsten kommerziellen Nutzungsformen tropischer Wälder. Der Analyse und Untersuchung von direkten und indirekten Auswirkungen von Holzeinschlag auf verschiedene Aspekte biologischer Vielfalt und genereller Ökosystemeigenschaften muß daher eine zentrale Bedeutung eingeräumt werden. Dies trifft im besonderen Maße zu, wenn die verbleibenden noch intakten Regenwaldflächen effizient und auch langfristig effektiv geschützt werden sollen. Tropische Amphibiengemeinschaften haben sich bei der Untersuchung von Auswirkungen anthropogen induzierter Habitatveränderungen auf die Dynamik komplexer biologischer Systeme als geeignetes Modellsystem erwiesen. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit den Mustern der Diversität und deren Änderung in tropischen Waldamphibiengemeinschaften unter dem Einfluss anthropogener Habitatveränderungen (selektiver Holzeinschlag) in zwei geographisch distinkten Ökoregionen von globaler Bedeutung (Côte d’Ivoire, Oberguinea, West Afrika und Guyana, Guiana Schild, nördliches Südamerika). Die thematische Gliederung der Arbeit folgt zwei unterschiedlichen Organisationssträngen. Der erste Strang leitet, nach einer allgemeinen Einführung und einem Abschnitt zur Methodik und Einführung in die untersuchten Modellsysteme, über, von den generellen Mustern zu den zugrunde liegenden Prozessen. Ein zweiter führt von ungestörten Systemen zu Systemen unter Störungseinfluss. Ein abschließender Abschnitt befasst sich mit den Implikationen für Naturschutzmanagement von anthropogen veränderten tropischen Wäldern. In einer Reihe von Fallstudien auf Art-, Populations- und Gemeinschaftsniveau werden die direkten und indirekten Einflüsse anthropogener Habitatänderungen auf die jeweilige Organisationsebene erörtert. Grundtenor aller vorgestellten Untersuchungen ist die Tatsache, dass herkömmliche Diversitätsmaße, wie etwa Artenreichtum und Artendiversität die in Zusammenhang mit anthropogenen Störungen auftretenden Veränderungen von Diversitätsmustern nur unzureichend erklären. Diese Maße erscheinen ebenfalls ungeeignet für die Beschreibung des Einflusses auf die Dynamik komplexer biologischer Systeme. Herkömmlich verwendete Diversitätsindizes generieren ein inkohärentes und unzureichendes Bild tatsächlicher Diversitätsmuster und der zugrunde liegenden Prozesse, die diese Muster formen. Das Verständnis höherer Ebenen der Diversität, wie etwa β-Diversität oder funktionale Diversität (und somit Muster der Artzusammensetzung) erscheint essentiell für die Minimierung des Einflusses von anthropogen induzierten Störungen auf Amphibiengemeinschaften und könnte somit zu einer effektiven Schadensbegrenzung beitragen. In den vorgestellten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Vorhersagbarkeit der Zusammensetzung einer gegebenen Amphibiengemeinschaft unmittelbar vom Störungsgrad des jeweiligen Systems abhängt. Menschliche Aktivitäten, die zu strukturellen Änderungen von Waldssystemen führen, wie etwa kommerzieller Holzeinschlag, führen nicht nur zu Änderungen einfacher Systemdeskriptoren, wie der Anzahl der Arten innerhalb einer Gemeinschaft, vielmehr beeinflussen sie die Dynamik des Gesamtsystems. In diesem Zusammenhang erwiesen sich funktionale Diversitätskomponenten als äußerst wichtige determinierende Faktoren für die beobachteten Vorhersagbarkeitsmuster und deren Veränderung. Funktionale Unterschiede und nicht Artenzahl per se scheinen demnach für den Erhalt zu bevorzugender Ökossystemzustände ausschlaggebend zu sein. Der Erhalt dieser funktionalen Merkmalsdiversität trägt unmittelbar zum Erhalt wichtiger ökosystemarer Leistungen bei. Da anzunehmen ist, dass biologischer Diversität eine maßgebliche Rolle in Bezug auf die Belastbarkeit und Elastizität von Ökosystemen zukommt (essentielle Eigenschaften, die das langfristige Funktionieren von Ökosystemen unter Störungseinfluss gewährleisten), unterstreichen die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit die Notwendigkeit einer kritischen Revision traditioneller Ansätze der Diversitätserfassung.

Chapter 1 – General introduction Anthropogenic land-use and climate change are the major drivers of the global biodiversity loss. Yet, biodiversity is essential for human well-being, as we depend on the availability of potable water, sufficient food and further benefits obtained from nature. Each species makes a somewhat unique contribution to these ecosystem services. Furthermore, species tolerate environmental stressors, such as climate change, differently. Thus, biodiversity is both the "engine" and the "insurance" for human well-being in a changing climate. Here, I investigate the effects of temperature and land use on herbivory (Chapter 2), predation (Chapter 3) and pest control (Chapter 4), and at the same time identify features of habitats (e.g. plant richness, proximity to different habitat types) and landscapes (e.g. landscape diversity, proportion of oilseed rape area) as potential management targets in an adaptation strategy to climate change. Finally, I discuss the similarities and differences between factors influencing herbivory, predation and pest control, while placing the observations in the context of climate change as a multifaceted phenomenon, and highlighting starting points for sustainable insect pest management (Chapter 5). Chapter 2 – Plant richness, land use and temperature differently shape invertebrate leaf-chewing herbivory on major plant functional groups Invertebrate herbivores are temperature-sensitive. Rising temperatures increase their metabolic rates and thus their demand for carbon-rich relative to protein-rich resources, which can lead to changes in the diets of generalist herbivores. Here, we quantified leaf-area loss to chewing invertebrates among three plant functional groups (legumes, non-leguminous forbs and grasses), which largely differ in C:N (carbon:nitrogen) ratio. This reseach was conducted along spatial temperature and land-use gradients in open herbaceous vegetation adjacent to different habitat types (forest, grassland, arable field, settlement). Herbivory largely differed among plant functional groups and was higher on legumes than forbs and grasses, except in open areas in forests. There, herbivory was similar among plant functional groups and on legumes lower than in grasslands. Also the presence of many plant families lowered herbivory on legumes. This suggests that open areas in forests and diverse vegetation provide certain protection against leaf damage to some plant families (e.g. legumes). This could be used as part of a conservation strategy for protected species. Overall, the effects of the dominant habitat type in the vicinity and diverse vegetation outweighed those of temperature and large-scale land use (e.g. grassland proportion, landscape diversity) on herbivory of legumes, forbs and grasses at the present time. Chapter 3 – Landscape diversity and local temperature, but not climate, affect arthropod predation among habitat types Herbivorous insects underlie top-down regulation by arthropod predators. Thereby, predation rates depend on predator community composition and behaviour, which is shaped by temperature, plant richness and land use. How the interaction of these factors affects the regulatory performance of predators was unknown. Therefore, we assessed arthropod predation rates on artificial caterpillars along temperature, and land-use gradients. On plots with low local mean temperature (≤ 7°C) often not a single caterpillar was attacked, which may be due to the temperature-dependent inactivity of arthropods. However, multi-annual mean temperature, plant richness and the dominant habitat type in the vicinity did not substantially affect arthropod predation rates. Highest arthropod predation rates were observed in diverse landscapes (2-km scale) independently of the locally dominanting habitat type. As landscape diversity, but not multi-annual mean temperature, affected arthropod predation rates, the diversification of landscapes may also support top-down regulation of herbivores independent of moderate increases of multi-annual mean temperature in the near future. Chapter 4 – Pest control and yield of winter oilseed rape depend on spatiotemporal crop-cover dynamics and flowering onset: implications for global warming Winter oilseed rape is an important oilseed crop in Europe, yet its seed yield is diminished through pests such as the pollen beetle and stem weevils. Damage from pollen beetles depends on pest abundances, but also on the timing of infestation relative to crop development as the bud stage is particularly vulnerable. The development of both oilseed rape and pollen beetles is temperature-dependent, while temperature effects on pest abundances are yet unknown, which brings opportunities and dangers to oilseed rape cropping under increased temperatures. We obtained measures of winter oilseed rape (flowering time, seed yield) and two of its major pests (pollen beetle, stem weevils) for the first time along both land-use and temperature gradients. Infestation with stem weevils was not influenced by any temperature or land-use aspect considered, and natural pest regulation of pollen beetles in terms of parasitism rates of pollen beetle larvae was low (< 30%), except on three out of 29 plots. Nonetheless, we could identify conditions favouring low pollen beetle abundances per plant and high seed yields. Low pollen beetle densities were favoured by a constant oilseed rape area relative to the preceding year (5-km scale), whereas a strong reduction in area (> 40%) caused high pest densities (concentration effect). This occurred more frequently in warmer regions, due to drought around sowing, which contributed to increased pollen beetle numbers in those regions. Yet, in warmer regions, oilseed rape flowered early, which possibly led to partial escape from pollen beetle infestation in the most vulnerable bud stage. This is also suggested by higher seed yields of early flowering oilseed rape fields, but not per se at higher temperatures. Thus, early flowering (e.g. cultivar selection) and the interannual coordination of oilseed rape area offer opportunities for environmental-friendly pollen beetle management. Chapter 5 – General discussion Anthropogenic land-use and climate change are major threats to biodiversity, and consequently to ecosystem functions, although I could show that ecosystem functions such as herbivory and predation barely responded to temperature along a spatial gradient at present time. Yet, it is important to keep several points in mind: (i) The high rate of climate warming likely reduces the time that species will have to adapt to temperature in the future; (ii) Beyond mean temperatures, many aspects of climate will change; (iii) The compensation of biodiversity loss through functional redundancy in arthropod communities may be depleted at some point; (iv) Measures of ecosystem functions are limited by methodological filters, so that changes may be captured incompletely. Although much uncertainty of the effects of climate and land-use change on ecosystem functions remains, actions to halt biodiversity loss and to interfere with natural processes in an environmentally friendly way, e.g. reduction of herbivory on crops, are urgently needed. With this thesis, I contribute options to the environment-friendly regulation of herbivory, which are at least to some extent climate resilient, and at the same time make a contribution to halt biodiversity loss. Yet, more research and a transformation process is needed to make human action more sustainable. In terms of crop protection, this means that the most common method of treating pests with fast-acting pesticides is not necessarily the most sustainable. To realize sustainable strategies, collective efforts will be needed targeted at crop damage prevention through reducing pest populations and densities in the medium to long term. The sooner we transform human action from environmentally damaging to biodiversity promoting, the higher is our insurance asset that secures human well-being under a changing climate. / Kapitel 1 – Allgemeine Einleitung Intensive Landnutzung und Klimawandel sind die Hauptursachen des globalen Rückgangs der biologischen Vielfalt. Diese ist jedoch wichtig für das menschliche Wohlergehen, da wir von der Verfügbarkeit von trinkbarem Wasser, Nahrungsmitteln und weiteren Leistungen der Natur abhängig sind. Dazu leistet jede Art einen gewissermaßen einzigartigen Beitrag. Darüber hinaus kommen verschiedene Arten unterschiedlich gut mit umweltbedingten Stressfaktoren wie z.B. dem Klimawandel aus. Dadurch ist die biologische Vielfalt sowohl der "Motor" als auch die "Versicherung" für das menschliche Wohlergehen in einem sich verändernden Klima. Hier untersuche ich die Auswirkungen von Temperatur und Landnutzung auf Pflanzenfraß („Herbivorie“, Kapitel 2), Räuber-Beute-Beziehungen („Prädation“, Kapitel 3) und die Regulation von Schädlingen im Raps (Kapitel 4), und betrachte gleichzeitig Merkmale von Lebensräumen (z.B. Reichtum an Pflanzenarten und -familien, Nähe zu unterschiedlichen Lebensraumtypen) und Landschaften (z.B. Vielfältigkeit der Landschaft, Anteil der Rapsanbaufläche) als mögliche Ansatzpunkte für Anpassungsstrategien an den Klimawandel. Abschließend erörtere ich die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Faktoren, die Herbivorie, Prädation und Schädlingskontrolle beeinflussen, ordne diese in den Kontext des Klimawandels als vielseitiges Phänomen ein, und betone mögliche Ansatzpunkte für den nachhaltigen Pflanzenschutz (Kapitel 5). Kapitel 2 – Pflanzenreichtum, Landnutzung und Temperatur beeinflussen die Schädigung verschiedener funktioneller Pflanzengruppen durch blattfressende Wirbellose unterschiedlich Wirbellose Pflanzenfresser (z.B. Grashüpfer) sind temperaturempfindlich. Steigende Temperaturen erhöhen ihre Stoffwechselrate und damit ihren Bedarf an kohlenstoffreichen im Vergleich zu proteinreichen Ressourcen, was zu einer Ernährungsumstellung von pflanzenfressenden Generalisten führen kann. Hier erfassten wir die Blattschädigung durch kauende Wirbellose an drei funktionellen Pflanzengruppen (Leguminosen, andere krautige Pflanzen, Gräser), welche sich in ihrem C:N (Kohlenstoff:Stickstoff) Verhältnis unterscheiden. Die Erfassung führten wir entlang von räumlichen Temperatur- und Landnutzungsgradienten in offener krautiger Vegetation angrenzend an verschiedene Lebensraumtypen (Forst, Grünland, Ackerfläche, Siedlung) durch. Die Blattschädigung verschiedener funktioneller Pflanzengruppen variierte stark und war an Leguminosen höher als an krautigen Pflanzen oder Gräsern, außer auf Offenflächen im Forst. Dort waren die Blattschädigungen der funktionellen Pflanzengruppen ähnlich und die Schädigung an Leguminosen niedriger als im Grünland. Auch das Vorhandensein vieler Pflanzenfamilien verringerte die Blattschädigung an Leguminosen. Dies legt nahe, dass Offenflächen im Forst und vielfältige Vegetation einen gewissen Schutz gegen Blattschädigung an manchen Pflanzenfamilien (z.B. Leguminoses) bieten. Dies könnte im Rahmen des Artenschutzes einen Beitrag zum Erhalt geschützter Arten leisten. Insgesamt überwogen die Auswirkungen des vorherrschenden Lebensraumtyps in der näheren Umgebung und vielfältiger Vegetation zum jetzigen Zeitpunkt den Einfluss von Temperatur und großräumiger Landnutzung (z.B. Grünlandanteil, Vielfältigkeit der Landschaft) auf die Blattschädigung an Leguminosen, krautigen Pflanzen und Gräsern. Kapitel 3 – Vielfältige Landschaften und die lokale Temperatur, jedoch nicht das Klima, beeinflussen die Prädationsleistung von Gliederfüßern in verschiedenen Lebensräumen Pflanzenfressende Insekten unterliegen der Top-Down-Regulation durch räuberisch-lebende Gliederfüßer. Der Beitrag, den diese zur Top-Down-Regulation leisten hängt jedoch unter anderem von der Zusammensetzung ihrer Artengemeinschaft und von ihrem Verhalten ab. Beides wird durch Temperatur, Pflanzenreichtum und Landnutzung beeinflusst. Wie sich das Zusammenspiel dieser Faktoren auf die Regulationsleistung von Räubern auswirkt war bis dato unbekannt. Deshalb untersuchten wir die Attackierung von räuberischen Gliederfüßern auf Beuteattrappen (Knetraupen) entlang von Temperatur- und Landnutzungsgradienten. Auf Studienflächen mit niedriger lokaler Mitteltemperatur (≤ 7°C) wurde oft keine einzige Knetraupe attackiert, was sich möglicherweise auf die temperatureabhängige Inaktivität von Gliederfüßern zurückführen lässt. Die Durchschnittstemperatur im mehrjährigen Mittel, das Pflanzenreichtum und der vorherrschende Lebensraumtyp hingegen zeigten keinen substanziellen Einfluss auf die Attackierung der Knetraupen durch räuberische Gliederfüßer. Am höchsten waren die Attackierungsraten in vielfältigen Landschaften (2-km Skala) unabhängig vom lokal vorherrschenden Lebensraumtyp. Da vielfältige Landschaften, nicht jedoch die Durchschnittstemperatur im mehrjährigen Mittel, die Attackierungsraten beeinflussten, können Maßnahmen zur Diversifizierung von Landschaften möglicherweise unabhängig von moderat steigenden mehrjährigen Mitteltemperaturen in naher Zukunft die Top-Down-Regulation von Pflanzenfressern begünstigen. Kapitel 4 – Schädlingskontrolle und Ertrag im Winterraps sind von der räumlich-zeitlichen Dynamik der Rapsanbaufläche sowie vom Blühzeitpunkt abhängig: Implikationen für die globale Erwärmung Winterraps ist eine wichtige Ölpflanze in Europa, doch die Erträge werden insbesondere durch Schädlinge wie Rapsglanzkäfer und Stängelrüssler gemindert. Die Schädigung durch den Rapsglanzkäfer ist abhängig vom Schädlingsaufkommen, aber auch vom Befallszeitpunkt in Bezug zum Entwicklungsstadium des Winterraps, wobei das Knospenstadium besonders empfindlich ist. Die Entwicklung von Raps und Rapsglanzkäfer ist temperaturabhängig, wohingegen Temperatureffekte auf Schädlingsabundanzen unbekannt sind, sodass höhere Temperaturen sowohl Chancen als auch Gefahren mitsichbringen. Wir führten Messungen an Winterrapspflanzen (Blühzeitpunkt, Samenertrag) und zwei seiner Hauptschädlinge (Rapsglanzkäfer, Stängelrüssler) erstmalig entlang von Landnutzungs- und Temperaturgradienten durch. Der Befall mit Stängelrüsslern wurde nicht von den untersuchten Temperatur- und Landschaftsparametern beeinflusst und die natürliche Schädlingskontrolle von Rapsglanzkäferlarven in Bezug auf Parasitierungsraten war mit Ausnahme von drei von 29 Standorten gering (< 30%). Nichtsdestotrotz konnten wir Bedingungen identifizieren, die niedrige Befallszahlen mit Rapsglanzkäfern und hohe Samenerträge begünstigen. Geringe Rapsglanzkäferdichten wurden durch eine konstante Rapsanbaufläche relativ zum Vorjahr (5-km Skala) begünstigt, wohingegen eine starke Reduktion in der Anbaufläche (> 40%) zu hohem Befall führte (Konzentrationseffekt). Aufgrund von Trockenheit in warmen Regionen rund um den Saattermin trat dies häufiger in warmen Regionen auf, was zu einem stärkeren Befall mit Rapsglanzkäfern in diesen Regionen beitrug. In wärmeren Regionen kam der Raps jedoch auch früher zur Blüte, was es ihm vermutlich ermöglichte, dem Rapsglanzkäferbefall im empfindlichsten Knospenstadium einigermaßen zu entgehen. Dies zeigte sich auch daran, dass eine frühe Blüte, nicht jedoch höhere Temperaturen, zu höheren Erträgen führte. Eine frühe Blüte (z.B. durch Sortenwahl) und die jahresübergreifende Koordination der Rapsanbaufläche bieten Möglichkeiten für die umweltfreundliche Schädlingskontrolle von Rapsglanzkäfern. Kapitel 5 – Allgemeine Diskussion Der durch den Menschen verursachte Landnutzungs- und Klimawandel stellt eine große Gefahr für die biologische Vielfalt und damit auch für die Funktionalität von Ökosystemen dar, obwohl ich zeigen konnte, dass natürliche Abläufe wie Pflanzenfraß und Räuber-Beute-Beziehungen kaum auf Temperaturunterschiede entlang eines räumlichen Gradients reagierten. Dennoch ist es wichtig mehrere Punkte zu beachten: (i) Die Rate, mit der sich die Erde erwärmt, wird Arten in Zukunft weniger Zeit lassen sich an die herschende Temperatur anzupassen; (ii) Neben der Erderwärmung werden sich viele weitere Aspekte des Klimas verändern; (iii) Die Aufrechterhaltung von natürlichen Abläufen unter Artenverlust durch funktionale Redundanz könnte irgendwann erschöpft sein; (iv) Die Messung natürlicher Abläufe ist durch methodische Filter limitiert, sodass Änderungen unter Umständen unvollständig abgebildet werden. Obwohl Ungewissheiten bezüglich der Auswirkungen des Landnutzungs- und Klimawandels auf natürliche Abläufe bestehen bleiben, werden dringlich Maßnahmen benötigt, die zum Erhalt der biologischen Vielfalt beitragen und die es ermöglichen umweltfreundlich in natürliche Abläufe einzugreifen wie z.B. die Abmilderung von Pflanzenfraß an Kulturpflanzen. Mit dieser Doktorarbeit, zeige ich Ansatzpunkte für Maßnahmen zur umweltfreundlichen Regulation von Pflanzenfraß auf, die zumindest zu einem gewissen Grad Klima-resilient sind und zugleich einen Beitrag zur Eindämmung des Artensterbens leisten. Um das menschliche Handeln nachhaltiger zu machen, bedarf es neben weiterer Forschung eines Transformationsprozesses. Für den Pflanzenschutz bedeutet dies, dass die gängigste Methode der Schädlingsbekämpfung mit schnell wirkenden Pestiziden nicht unbedingt die nachhaltigste ist. Um nachhaltige Strategien zu realisieren werden gemeinschaftliche Bemühungen nötig sein, die sich der Vorbeugung von Schäden an Kulturpflanzen durch die mittel- bis langfristigen Reduktion von Schädlingspopulationen und -dichten widmen. Je früher wir das menschliche Handeln von umweltschädigend zu biodiversitätsfördernd umwandeln, desto größer ist unser “Versicherungswert”, der das menschliche Wohlergehen in einem sich änderndem Klima gewährleistet.